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硅片制绒和清洗


硅片制绒和清洗

制绒小组 08.11.14
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概述
硅片表面的处理目的: 去除硅片表面的机械损伤 清除表面油污和金属杂质 形成起伏不平的绒面,增加硅片对太阳光的吸收

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硅片表面的机械损伤层 (一)硅锭的铸造过程

单晶硅

多晶硅

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硅片表面的机械损伤层 (二)多线切割

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硅片表面的机械损伤层 (三)机械损伤层

硅片

机械损伤层(10微米)

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粗抛
? 粗抛 原理:各个晶面在高浓度的碱溶液将不再具有各项异性腐 蚀特性 ? 目的:去除表面的机械损伤层以及其它杂质 ? 一般采用20%的碱溶液在90℃条件腐蚀 0.5~1min以达到去除损伤层的效果,此时的 腐蚀速率可达到6~10um/min 。 ? 粗抛时间在达到去除损伤层的基础上尽量减短,以防硅片 被腐蚀过薄。 ? 对于NaOH浓度高于20%W/V的情况,腐蚀速度主要取决 于溶液的温度,而与碱溶液实际浓度关系不大。
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制绒基础知识
? 1.1 什么是制绒 ? 制绒是利用硅的各向异性腐蚀特性在表面刻出类似与金 字塔或者是蜂窝状的结构

单晶硅片表面的 金字塔状绒面

多晶绒面

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制绒基础知识
1.2制备绒面的目的: ? 利用陷光原理,减少光的反射率,提高短路电流 (Isc),增加PN结的面积,最终提高电池的光电转换 效率。 ? 陷光原理: 当光入射到一定角度的斜面,光会反射到另一角度的斜 面,形成二次或者多次吸收,从而增加吸收率。

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制绒基础知识
? 陷光原理图示:

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制绒基础知识
1.3 制绒的分类: ?? ?? ? ? 碱制绒:Si+2NaOH+H2O →Na2SiO3 +2H2 ↑ 酸制绒:HNO3+Si=SiO2+NOx+H2O SiO2+ HF=SiF4+H2O SiF4+HF=H2[SiF6]

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制绒基础知识
碱的腐蚀 ? 利用低浓度碱溶液对晶体硅在不同晶体取向上具有不同腐 蚀速率的各向异性腐蚀特性,在硅片表面腐蚀形成角锥体 密布的表面形貌 ,就称为表面织构化,俗称制绒。角锥 体四面全是由〈111〉面包围形成。 反应式为: Si+2NaOH+H2O →Na2SiO3 +2H2 ↑

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制绒过程中的影响因素

?? ?? ?? ?? ?? ??

NaOH的浓度 异丙醇浓度 溶液的温度 制绒腐蚀时间的长短 槽体密封程度、异丙醇的挥发程度 制绒槽内硅酸钠的影响

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NaOH浓度的影响
?制绒液中的异丙醇、NaOH、硅酸纳三者浓度比例决定着溶液的 腐蚀速率和角锥体形成情况。 ?溶液温度恒定在80℃时发现腐蚀液NaOH浓度在1.5~4%范围之 外将会破坏角锥体的几何形状 。 ?当NaOH处于合适范围内时,异丙醇的浓度的上升会使腐蚀速率 大幅度下降。

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NaOH浓度的影响
维持制绒液中IPA的含量为10 vol%,温度85 ℃,时间 30分钟条件下:

NaOH浓度5g/l时绒面形貌

NaOH浓度15g/l时绒面形貌

NaOH浓度55g/l时绒面形貌

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NaOH浓度的影响

绒面的平均反射率随NaOH浓度的变化
0.16 Average Reflectance

0.15

0.14

0.13 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Concentration of NaOH (g/l)

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IPA的影响
? 降低硅片表面张力,减少气泡在硅片表面的粘附,使硅 片的金字塔更加均匀一致 ? 气泡的直径、密度和腐蚀反应的速率限定了硅片表面织构 的几何特征。气泡的大小以及在硅片表面停留的时间,与 溶液的粘度、表面张力有关系。所以需要异丙醇来调节溶 液的粘滞特性。

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温度的影响
? ? ? ? ? ? 制绒温度范围:75-81℃ 温度过低:反应速度慢 温度过高:IPA将完全挥发加剧,晶面择优性降低 IPA

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制绒腐蚀时间长短的影响
经过去除损伤层后,硅片表面留下了许多肤浅的准方形的 腐蚀坑。1分钟后,金字塔如雨后春笋,零星的冒出了头; 5分钟后,硅片表面基本上被小金字塔覆盖,少数已开始 长大。我们称绒面形成初期的这种变化为金字塔“成核”。 10分钟后,金字塔密布的绒面已经形成,只是大小不均匀, 反射率也降到了比较低的水平。随着时间的延长,金字塔 向外扩张兼并,体积逐渐膨胀,尺寸趋于均等。

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不同制绒时间的图片

经过1min制绒的表面形貌

经过5min制绒的表面形貌

经过10min制绒的表面形貌

经过30min制绒的表面形貌
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不同制绒时间绒面反射率的比较

0.7 Reflectance(0-1) 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 300 500 700 Wavelength (nm) 900 1100 1min 5min 10min

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槽体密封程度、异丙醇的挥发程度
? 受影响项:碱液溶液浓度、IPA浓度 ? 结果:由于密封程度的不同,水气和IPA的挥发速度不 同,导致硅片的腐蚀深度过大以及绒面不均

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硅酸钠的影响
? 硅酸钠在溶液中呈胶体状态,大大的增加了溶液的粘稠度。 对腐蚀液中OH离子从腐蚀液向反应界面的输运过程具有缓 冲作用,使得大批量腐蚀加工单晶硅绒面时,溶液中NaOH 含量具有较宽的工艺容差范围,提高了产品工艺加工质量 的稳定性和溶液的可重复性。随着硅酸钠含量的增加,溶 液粘度会增加,结果在硅片与片匣边框接触部位会产生 “花篮印”,硅酸钠来源大多是反应的生成物,要调整它 的浓度只能通过排放溶液。

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化学清洗原理

HCL的作用 ? 中和残留在硅片表面的碱液 ?? 去除在硅片切割时表面引入的金属杂质 ? 注:盐酸具有酸和络合剂的双重作用,氯离子能 与Fe 3+、Pt 2+、Au 3+、Ag +、Cu +、Cd 2+、Hg 2+等金属离子形成可溶于水的络合物

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化学清洗原理
HF 的作用 ? 去除在清洗过程中表面形成SiO2层,便于脱水 ? 注:硅的疏水性要好于SiO2

SiO2 + 6HF → H 2 [SiF6 ] + 2H 2 O

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制绒常见不良现象

现象:表面有指纹残留 原因:人为的接触硅片 解决方法:IPA IPA可以起到一 IPA 定效果,但是不能杜绝,需 要硅片厂家配合

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制绒常见不良现象

现象:在同一批片子中相同 位置有类似于油污的污渍 原因:来料问题,可能在硅片 包装时引入 解决方法:与硅片厂商协商解 决

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制绒常见不良现象

现象:表面发白 原因:腐蚀时间不够 解决方法:通常延长刻 蚀时间可以解决

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制绒常见不良现象

现象:表面发亮 原因:NaOH过量或者是腐 蚀时间过长 解决方法:适当降低 碱液的用量及制绒时间

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注意事项

NaOH、HCl、HF都是强腐蚀性的化学药品,其 固体颗粒、溶液、蒸汽会伤害到人的皮肤、眼睛、 呼吸道,所以操作人员要按照规定穿戴防护服、 防护面具、防护眼镜、长袖胶皮手套。一旦有化学 试剂伤害了员工的身体,马上用纯水冲洗30分钟, 送医院就医。
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